Wireless localization for intelligent transport systems

Abstract

Intelligent Transport Systems (ITS) versuchen die Zuverlässigkeit, Sicherheit, Effizienz und Qualität existierender Verkehrssysteme zu verbessern. Dazu verwenden ITS Informations-und Kommunikationstechnik in der Straßen-Infrastruktur sowie in Fahrzeugen. Erste Verkehrstelematik-Systeme wurden als elektronische Mautsysteme (electronic toll collection-ETC) entwickelt. Heute verwenden Mautsysteme so genannte Dedicated Short-Range Communication (DSRC), die eine spezialisierte Gruppe von Standards für eine lokalisierte, bidirektionale drahtlose Kommunikation darstellen. Der Datenaustausch erfolgt zwischen der zur Straßen-Infrastruktur gehörenden, fix montierten Lese-Einheit, der Road-Side-Unit (RSU), und einem mobilen Identifikationsmedium, der On-Board-Unit (OBU), die in Fahrzeugen installiert wird. Eine wichtige Aufgabe automatischer ETC-Systeme ist es, Fahrzeuge an einer Mautstelle elektronisch zu erfassen und zu identifizieren. Dabei sollen nicht ordnungsgemäß deklarierte Fahrzeuge in Echtzeit, und ohne den Verkehrsfluss der anderen Fahrzeuge zu behindern erkannt und zur etwaigen strafrechtlichen Verfolgung (Enforcement) weitergemeldet werden. Hierbei ist es wichtig die Fahrzeuge zuverlässig zu lokalisieren. In vielen Fällen verwenden ETC-Stationen Infrarot-Kameras sowie Laser-Scanner als optische Enforcement-Systeme. Weitere Sicherheit und Redundanz, um eine Bestrafung korrekt deklarierter Fahrzeuge zu vermeiden, kann durch drahtlose Lokalisierung der OBU über die von ihr selbst gesendeten Hochfrequenz-Daten erlangt werden. Diese Arbeit konzentriert sich auf realisierbare Hochfrequenz basierte Lokalisierungs-Lösungen. Im Speziellen wird auf die in zukünftigen Verkehrs-Telematik Systemen eingesetzten Standards zur Datenübertragung wie Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) und Ultra-High Frequency Identification Radio Frequency Identification (UHF RFID) eingegangen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden geeignete Lokalisierungs-Methoden für die oben genannten Übertragungsverfahren evaluiert und realisiert. Im Zuge der Arbeit zeigte sich, dass das WAVE Übertragungsprotokoll in integrierten Chip-Satz Lösungen implementiert wird, bei dem die demodulierten Basisband-Daten nicht extern zur Verfügung stehen. Daher wurde eine auf einfacher Signalverarbeitung basierende und durch wenige Hardware Komponenten kostengünstig realisierbare Richtungs-Schätzmethode für breitbandig modulierte Orthogonal-Frequency-Division Multiplex (OFDM) Signale umgesetzt. Da dieser Teil der Arbeit in enger Zusammenarbeit mit einem Industriepartner realisiert wurde, lag das Augenmerk auf der Umsetzbarkeit, Anwendbarkeit und der Einfachheit der Integration in bestehende Systeme. Der realisierte Prototyp des auf einem Phasen-Interferometer basierten AOA-Schätzverfahren wurde in Messungen auf einem Testgelände unter realitätsnahen Bedingungen verifiziert. Beispielsweise wurde eine Genauigkeit (+/-3 fache der Standardabweichung) des umgesetzten Schätz-Algorithmus für 10MHz OFDM-Signale bei einer Messzeit von 100us von +/-5° elektrischer Phasenverschiebung der beiden Antennenempfangssignale erreicht. Dies entspricht für den Bereich der Hauptkeule der Richtcharakteristik der verwendeten Antennen einer geometrischen Positionierungsgenauigkeit von ungefähr +/-15cm. Weiters wurde ein auf Direct Sequence Spread Spectrum (DS-SS) Sequenz-Ausrichtung basiertes Verfahren zur Schätzung der Kommunikationsdistanz zwischen Lesegerät (Reader) und passivem UHF RFID untersucht. Aufgrund der geringen Signalbandbreite der Backscatter-Kommunikation und der einfachen Struktur der RFID-Tags wurde ein Overlay-Lokalisierungsverfahren realisiert. Dabei wird ein geeignet ausgelegtes DS-SS Signal vom RFID Lesegerät übertragen, während das RFID-Tag vom Funkfeld des Readers mit Energie versorgt wird. Diese Sequenz wird beim Backscatter Vorgang ebenfalls vom RFID Tag reflektiert und kann im Lesegerät mit ursprünglich übertragenen Sequenz vergleichen und so die Kommunikationsdistanz schätzen werden. Der Vorteil der vorgestellten Methode ist, dass ein dermaßen ausgerüstetes RFID-Lesegerät die spektralen Sendemasken der Standards erfüllt, und in der Lage ist statische Reflektoren auszublenden. Dabei wird die Positionierungsgenauigkeit verbessert und verfälschte Schätzwerte aufgrund statischer Störer werden vermieden. Das Prinzip der DS-SS Entfernungsschätzung wurde ebenfalls mittels Messungen an einem Indoor-Scenario verifiziert. Dazu wurde ein Prototype-Lesegerät aus Labor-Equipment und Messgeräten zusammengestellt. Die verwendete Sequenz hatte eine Länge von 255 Chips bei einer Chip-Rate von 25MHz. Messungen auf einem Test-Raster zeigten, dass als Messzeit die Antwortdauer eines UHF-RFID Tags auf eine Query Anfrage von etwa 1.35ms ausreicht um eine Entfernungsbestimmung durchzuführen. Der erreichte mittlere Fehler lag bei ca. +/-0.2m für eine Einzelmessung und wird von der eingeschränkten Chip-Rate und vorhandenen Mehrwegeausbreitung bestimmt.<br />

Intelligent Transport Systems (ITS) try to improve safety, reliability, efficiency, and quality of transport systems. Thus, ITS add information and communications technology to transport infrastructure as well as to vehicles.<br />First traffic telematic systems were clearly developed as electronic toll collection (ETC) systems. These days ETC systems use so called Dedicated Short-Range Communication (DSRC) that prescribes a specialized bunch of standards used for a localized, bidirectional wireless communication between a fixed road side unit (RSU) and a mobile on board unit (OBU) installed within a vehicle. An essential task for automatic ETC systems is to electronically detect vehicles at a toll site and further levy the correct toll. Nevertheless, noncompliant vehicles have to be enforced in real-time without preventing the traffic flow of other vehicles. It is important for enforcement in ITS to reliably localize vehicles to be penalized on the road. In many cases, ETC stations use infrared cameras and laser scanners as optical enforcement equipment. A major problem is to unambiguously match the optically generated data with the data received via the radio frequency (RF) link. Wireless localization of the OBU, based on the RF data transmitted by the OBU itself, adds redundancy to the system and improves the security of a correctly identified or to be penalized traffic participant. Consequently, this thesis neglects ultrasonic and infrared based localization methods and focuses on feasible radio frequency based localization solutions especially suitable for upcoming RF based transmission standards like Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) and Electronic Product Code (EPC) ultra-high frequency radio frequency identification (UHF RFID). While WAVE communication ITS solutions are based on the well known IEEE 802.11 physical layer standard, recently also passive UHF RFID EPC tags are used for ITS applications. Thus, suitable methods for above mentioned standards were evaluated within this thesis.<br />First, due to the fact that WAVE uses integrated chip-set solutions for data transmission, where the raw demodulated base-band signals are not externally available for users, a low complexity and economically priced angle-of-arrival (AOA) estimation method for broadband orthogonal frequency division multiplex (OFDM) signals has been found coming along with a minimal count of additional hardware components. Because this part of the thesis was carried out in close collaboration with a business partner, the points of applicability, useability, and ease of integration into existing framework had to be considered. The realized prototype for the phase-interferometer based AOA estimation algorithm for WAVE devices was verified via highway test range measurement campaigns to guarantee proper operation for real-world communication scenarios. The measurements demonstrated the useability and the performance of the realized prototype. For example, the accuracy (+/-3 times the standard deviation) of the estimator for a 10MHz wide OFDM signal and a utilized observation time of 100us was equal to +/-5° electrical phase shift. This corresponds to a positioning accuracy of approximately +/-15 cm at points within the main lobe of the radiation patterns of the utilized antennas. Second, a direct sequence spread spectrum (DS-SS) sequence alignment ranging method was evaluated for communication distance estimation in passive UHF RFID. Because of the moderately low signal bandwidth of the backscatter communication and the simple structure of the RFID tags an overlay ranging system was realized. Thus, a suitably designed DS-SS sequence is added to the reader beacon signal for ranging purposes while energy is transferred to the passive tag. Finally, the RFID tag backscatters data and furthermore reflects the DS-SS sequence, too.<br />Consequently, the reader is able to compare the reflected sequence to the originally transmitted one. The key advantage of the developed method is that such ranging RFID readers meet the spectral transmission masks of the standards. Furthermore, the method is able to mask out static reflections of possibly existing scatterers and the mutual coupling of transmit and receive antenna to improve the range of estimation performance and thus to avoid highly biased estimates. The DS-SS ranging method for UHF RFID was verified by measurements performed at an indoor test-area. Therefore, a prototype reader using laboratory measurement equipment was set up. The utilized chip-rate was 25MHz and the used m-sequence had a length of 255 chips. The measurements on the test-grid demonstrated, that an observation time of approximately 1.35ms, which is equal to the response duration of the EPC UHF RFID tag to a Query command, was needed to estimate the distance of the RFID tag to the reader antennas. Basically, the mean error of +/-0.2m was caused by multipath propagation and the limited chip-bandwidth.